Met behulp van een ultramoderne ultrasnelle elektronenmicroscoop, Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota hebben de allereerste video's opgenomen die laten zien hoe warmte door materialen op nanoschaal beweegt met de snelheid van geluid.

Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , biedt ongekend inzicht in de rollen die worden gespeeld door individuele atomaire en nanoschaalkenmerken die kunnen helpen bij het ontwerpen van betere, efficiëntere materialen met een breed scala aan toepassingen, van persoonlijke elektronica tot alternatieve energietechnologieën.

Energie in de vorm van warmte heeft invloed op alle technologieën en is een belangrijke factor in de manier waarop elektronische apparaten en openbare infrastructuur worden ontworpen en ontwikkeld. Het is ook de grootste vorm van afvalenergie in kritieke toepassingen, inclusief krachtoverbrenging en vooral transport, waar, bijvoorbeeld, ongeveer 70 procent van de energie in benzine wordt verspild als warmte in automotoren.

Materiaalwetenschappers en ingenieurs hebben tientallen jaren onderzoek gedaan naar het beheersen van thermische energie op atomair niveau om deze te recyclen en te gebruiken om de efficiëntie drastisch te verhogen en uiteindelijk het gebruik van fossiele brandstoffen terug te dringen. Dergelijk werk zou enorm worden geholpen door daadwerkelijk te kijken hoe warmte door materialen beweegt, maar het vastleggen van beelden van de fundamentele fysieke processen in het hart van thermische energiebeweging heeft enorme uitdagingen opgeleverd. Dit komt omdat de fundamentele lengteschalen nanometers (een miljardste van een meter) zijn en de snelheden vele mijlen per seconde kunnen zijn. Dergelijke extreme omstandigheden hebben het in beeld brengen van dit alomtegenwoordige proces buitengewoon uitdagend gemaakt.

Om deze uitdagingen te overwinnen en de beweging van warmte-energie in beeld te brengen, de onderzoekers gebruikten een hypermoderne FEI Tecnai Femto ultrasnelle elektronenmicroscoop (UEM) die in staat is om de dynamiek van materialen op atomaire en moleculaire schaal te onderzoeken in tijdspannes gemeten in femtoseconden (een miljoenste van een miljardste van een seconde). In dit werk, de onderzoekers gebruikten een korte laserpuls om elektronen te exciteren en zeer snel kristallijne halfgeleidende materialen van wolfraamdiselenide en germanium te verhitten. Vervolgens maakten ze slow-motionvideo's (vertraagd met meer dan een miljard keer de normale snelheid) van de resulterende energiegolven die door de kristallen bewegen.

"Zodra we de golven zagen, we wisten dat het een buitengewoon opwindende observatie was, " zei hoofdonderzoeker David Flannigan, een assistent-professor chemische technologie en materiaalkunde aan de Universiteit van Minnesota. "Het is een droom die uitkomt om dit proces op nanoschaal te zien gebeuren."

Flannigan zei dat de beweging van warmte door het materiaal eruitziet als rimpelingen op een vijver nadat een kiezelsteen in het water is gevallen. De video's tonen energiegolven die bewegen met ongeveer 6 nanometer (0,00000006 meter) per picoseconde (0,00000000001 seconde). De oscillaties van energie in kaart brengen, genaamd fononen, op nanoschaal is van cruciaal belang voor het ontwikkelen van een gedetailleerd begrip van de grondbeginselen van thermische energiebeweging.

"Bij veel toepassingen wetenschappers en ingenieurs willen thermische energiebewegingen begrijpen, beheers het, verzamel het, en het nauwkeurig leiden om nuttig werk te doen of het heel snel weg te halen van gevoelige componenten, "Zei Flannigan. "Omdat de lengtes en tijden zo klein en zo snel zijn, het was erg moeilijk om in detail te begrijpen hoe dit gebeurt in materialen met onvolkomenheden, zoals in wezen alle materialen doen. Letterlijk kijken naar dit proces zou een heel eind bijdragen aan het opbouwen van ons begrip, en nu kunnen we precies dat doen."